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中国木结构古建筑加固的试验研究及理论分析

作　者: 谢启芳
导　师: 赵鸿铁
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 中国木结构古建筑加固修缮设计基准期摩擦滑移隔震碳纤维布木梁抗弯性能界面应力抗剪性能木柱榫卯节点恢复力模型粘结性能
分类号: TU366.2
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

中国木结构古建筑是世界古代建筑中独树一帜的建筑体系,具有极高的历史、文物、艺术和科学价值。开展木结构古建筑加固的研究对保护这些珍贵文物遗产具有极其重要的理论意义和社会价值。首先提出了古建筑修缮设计基准期,分析了作用于古建筑上的永久荷载、可变荷载和地震作用的取值方法。根据古建筑材料性能的变化规律,建议木材设计强度应该根据实测数据进行取值,并给出了材料强度设计值的确定方法。考虑到檩下替木的存在,根据支承点处檩和替木的转角相等的原则确定出支承点的位置,从而计算出檩的最大内力。将雀替与三角梁之间的分布荷载简化为三角形分布,计算了三角梁的最大内力。根据单层木结构殿堂的结构特点,将其简化成带滑移隔震层的单自由度体系,建立了动力方程,采用逐步积分法给出了动力方程的数值解法。通过8根矩形木梁的静力试验,对碳纤维布(CFRP)加固木梁的抗弯性能,包括破坏特征、截面应变、极限承载力及挠度等性能进行了研究。根据加固梁不同的破坏模式建立了相应的抗弯承载力计算公式以及考虑初始应变的承载力计算公式。将木梁的荷载一挠度曲线近似简化为两个线性阶段,提出了木梁跨中挠度的近似计算方法。并根据已建立的抗弯承载力计算公式,对影响碳纤维布加固木梁抗弯承载力的主要因素进行了分析。根据上述碳纤维布加固木梁的部分试验结果,研究了碳纤维布端部界面剪应力的分布情况,推导了碳纤维布与木梁之间的剪应力和正应力的计算公式,应用该公式分析了影响最大界面应力的主要因素,并根据碳纤维布锚固长度所需提供的拉力提出了碳纤维布锚固长度的确定方法。通过7根碳纤维布加固的矩形木梁的试验,研究了木梁的抗剪性能,得到了木梁剪切破坏的破坏形态、荷载—挠度曲线及荷载—应变关系等性能。根据理论分析,得到了各种破坏形态的判断条件,建立了发生各种破坏形态时的抗剪承载力的计算方法,并分析了影响木梁抗剪承载力的因素。根据8根碳纤维布加固的圆形木柱的轴心受压试验研究,得到了木柱的破坏形态、木柱和碳纤维布的荷载—应变关系以及加固柱极限承载力提高情况等性能。分析了加固柱极限承载力的影响因素,并建立了抗压承载力的计算公式。通过对木柱墩接方法的力学分析,确定了木柱墩接的最大墩接高度、连接区段的最小长度及对紧箍件的要求。按宋《营造法式》中的做法,选用殿堂二等材殿堂式构架的主要承重柱(檐柱)的柱架缩尺模型,进行了3个未加固构架、3个碳纤维布加固构架和2个扁钢加固构架共8个构架在水平低周反复荷载作用下的试验研究,得到了各个构架的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化规律、变形及耗能等性能,在此试验的基础上建立了木结构构架的恢复力模型,并根据相似原理推算了原型结构的恢复力模型。在分析了按现有规范对木结构古建筑进行抗震加固的不足的基础上,提出了基于位移的抗震加固方法,并分析了加固刚度对构架侧移的影响。通过碳纤维布与木材的剪切粘结试验,研究了碳纤维布与木材的粘结性能,包括破坏特征、碳纤维布与木材粘结面的应变分布特点、有效粘结长度及粘结强度等性能。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第1章绪论  14-32
  1.1 研究意义  14-15
  1.2 中国古建筑木结构的破坏形态  15-16
  1.3 传统修缮加固方法  16-18
    1.3.1 檩、梁、枋等受弯构件的修缮加固方法  16-17
    1.3.2 柱等受压构件的修缮加固方法  17
    1.3.3 榫卯连接的修缮加固方法  17-18
    1.3.4 传统修缮加固方法的不足  18
  1.4 新型材料加固的优点  18-19
  1.5 进行木结构古建筑修缮加固需解决的问题  19
  1.6 国内外的研究现状  19-24
    1.6.1 木结构古建筑营造技术研究  19-20
    1.6.2 木结构古建筑承受的荷载研究  20-21
    1.6.3 木结构古建筑所用木材的物理力学性能研究  21
    1.6.4 木结构古建筑结构特性及其抗震性能研究  21-22
    1.6.5 木结构古建筑修缮加固后的性能研究  22-23
    1.6.6 有待解决的问题  23-24
  1.7 本文主要研究内容  24-26
  1.8 本章小结  26
  参考文献  26-32
第2章古建筑木结构的荷载和材料性能研究  32-53
  2.1 概述  32
  2.2 《古建筑木结构维护与加固规范》规定的荷载取值方法  32-33
  2.3 荷载取值的建议  33-37
    2.3.1 古建筑修缮设计基准期  33
    2.3.2 永久作用  33-34
    2.3.3 可变作用  34-37
    2.3.4 地震作用  37
  2.4 《古建筑木结构维护与加固规范》规定的木材强度取值方法  37
  2.5 木材设计强度的探讨  37-51
    2.5.1 木材特性  37-38
    2.5.2 古建筑古木材性变化  38-43
    2.5.3 古木木材设计强度的确定方法  43-49
    2.5.4 古木横纹抗压强度的确定  49-50
    2.5.5 古建筑木结构维修加固用新材强度的确定  50-51
  2.6 加固材料强度的确定  51
  2.7 本章小结  51-52
  参考文献  52-53
第3章木结构古建筑竖向荷载作用下的内力计算及殿堂结构地震反应分析  53-69
  3.1 概述  53
  3.2 木构殿堂结构结构组成  53-58
    3.2.1 木构架的主要形式  53-55
    3.2.2 殿堂结构的组成  55-58
  3.3 竖向荷载作用下的内力计算  58-62
    3.3.1 檩的内力计算  58-62
    3.3.2 三架梁的内力计算  62
  3.4 单层木结构殿堂的水平地震反应分析  62-67
    3.4.1 动力方程的建立  62-64
    3.4.2 动力方程的数值分析  64-67
  3.5 本章小结  67
  参考文献  67-69
第4章 CFRP布加固木梁抗弯性能的研究  69-93
  4.1 概述  69-70
  4.2 试验研究  70-76
    4.2.1 试件设计与制作  70-72
    4.2.2 加载方案及量测方案  72
    4.2.3 试验结果及分析  72-76
  4.3 理论分析  76-89
    4.3.1 木材轴心受力应力—应变关系模型  76-78
    4.3.2 正截面承载力计算  78-83
    4.3.3 考虑初始应变的承载能力计算  83-85
    4.3.4 挠度计算  85-89
  4.4 参数分析  89-91
    4.4.1 木梁的配布率  89
    4.4.2 木材的强度  89
    4.4.3 木材的弹性模量  89-90
    4.4.4 碳纤维布的弹性模量  90
    4.4.5 初始拉应变  90-91
  4.5 本章小结  91
  参考文献  91-93
第5章 CFRP布加固木梁界面应力的试验研究和理论分析  93-108
  5.1 概述  93
  5.2 试验研究  93-96
    5.2.1 试验结果  93-95
    5.2.2 端部界面剪应力分析  95-96
  5.3 理论分析  96-105
    5.3.1 界面剪应力分析  96-99
    5.3.2 界面正应力分析  99-100
    5.3.3 两点对称集中加载的界面应力  100-101
    5.3.4 均布荷载作用下的界面应力  101-102
    5.3.5 理论分析与试验结果的对比  102-103
    5.3.6 参数分析  103-105
  5.4 锚固计算  105-106
    5.4.1 锚固长度计算  105-106
    5.4.2 锚固粘结破坏的验算  106
  5.5 本章小结  106-107
  参考文献  107-108
第6章碳纤维布加固木梁抗剪性能的试验研究与理论分析  108-124
  6.1 概述  108-109
  6.2 试验研究  109-117
    6.2.1 试件设计和制作  109-111
    6.2.2 加载方案及量测方案  111-112
    6.2.3 试验结果及分析  112-117
  6.3 破坏形态的判断  117-120
    6.3.1 顺纹剪切破坏的条件  117-119
    6.3.2 剪弯破坏的条件  119-120
    6.3.3 破坏形态的判断  120
  6.4 抗剪承载力的计算  120-121
    6.4.1 顺纹剪切破坏  120
    6.4.2 剪弯破坏  120
    6.4.3 计算值与试验值的对比  120-121
  6.5 影响木梁抗剪承载力的主要因素分析  121-122
  6.6 本章小结  122-123
  参考文献  123-124
第7章古建筑木柱的修缮加固研究  124-138
  7.1 概述  124
  7.2 CFRP布加固木柱轴压性能试验研究  124-133
    7.2.1 试件设计与制作  124-126
    7.2.2 加载方案及量测方案  126-127
    7.2.3 试验结果及分析  127-132
    7.2.4 CFRP布加固木柱的承载力  132-133
  7.3 木柱墩接的力学分析  133-136
    7.3.1 木柱墩接方法  133-134
    7.3.2 木柱墩接的尺寸确定  134-136
  7.4 本章小结  136
  参考文献  136-138
第8章中国古建筑木结构榫卯节点加固的试验研究和理论分析  138-166
  8.1 概述  138
  8.2 榫卯类型及其力学特性  138-142
    8.2.1 直榫  139-140
    8.2.2 燕尾榫  140
    8.2.3 管脚榫  140-141
    8.2.4 搭扣榫  141
    8.2.5 柱头榫  141-142
  8.3 榫卯节点加固的试验研究  142-154
    8.3.1 试件设计与制作  142-144
    8.3.2 加载方案及量测方案  144-145
    8.3.3 试验过程及现象描述  145-147
    8.3.4 试验结果及分析  147-154
  8.4 恢复力模型  154-160
    8.4.1 骨架曲线  155-157
    8.4.2 卸载刚度  157-158
    8.4.3 反向加载或再加载路径及强度退化  158
    8.4.4 滞回规则  158-159
    8.4.5 原型结构的恢复力模型  159-160
  8.5 木结构古建筑的抗震加固方法  160-164
    8.5.1 《古建筑木结构维护与加固技术规范》给出的抗震加固方法  160
    8.5.2 木结构古建筑基于位移的抗震加固方法  160-164
  8.6 本章小结  164
  参考文献  164-166
第9章碳纤维布与木材的粘结性能研究  166-174
  9.1 概述  166
  9.2 试验研究  166-172
    9.2.1 试件设计与制作  166-167
    9.2.2 加载方案及量测方案  167-169
    9.2.3 试验结果及分析  169-172
  9.3 本章小结  172
  参考文献  172-174
第10章结论与展望  174-179
  10.1 主要结论  174-178
    10.1.1 荷载和材料强度的取值  174-175
    10.1.2 竖向荷载作用下内力计算及殿堂结构地震反应分析  175
    10.1.3 CFRP布加固木梁的抗弯性能  175
    10.1.4 CFRP布加固木梁的界面应力  175-176
    10.1.5 CFRP布加固木梁的抗剪性能  176
    10.1.6 木柱的修缮加固  176-177
    10.1.7 古建筑木结构榫卯节点的加固  177
    10.1.8 碳纤维布与木材的粘结性能  177-178
  10.2 展望  178-179
致谢  179-181
附录  181-182
  附录1:攻读博士学位期间发表和投递的学术论文  181
  附录2:攻读博士学位期间参与的科研项目  181-182
  附录3:攻读博士学位期间申报的科研项目  182
  附录4:攻读博士学位期间申报的国家专利  182

中国木结构古建筑加固的试验研究及理论分析

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